由于CFD分析的計(jì)算量一般比較大，工程師往往都是盡可能地對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況分析，這樣可以在很大程度上提升研發(fā)效率。但實(shí)際中，由于物體運(yùn)動(dòng)、邊界條件改變或流動(dòng)自身特性等原因，流動(dòng)現(xiàn)象都是隨時(shí)間變化而變化的，這就必須進(jìn)行瞬態(tài)CFD分析。今天我們就以流體自控振蕩器為例來(lái)了解下如何使用ANSYS進(jìn)行瞬態(tài)CFD分析。

圖1顯示的是一個(gè)振蕩器結(jié)構(gòu)，為了減少計(jì)算量，我們采用2D模型來(lái)分析。由于康達(dá)效應(yīng)的影響，入口射流會(huì)有偏向一側(cè)曲面的趨勢(shì)，而結(jié)構(gòu)又是對(duì)稱(chēng)的，因此射流一開(kāi)始會(huì)隨機(jī)偏向任意一側(cè)。當(dāng)流體偏向某一側(cè)的時(shí)候，由于結(jié)構(gòu)存在反饋回路（紅色虛線），反饋流體會(huì)對(duì)入口射流產(chǎn)生干擾，使得射流偏向另一側(cè)。這樣，即使在入口射流流量不變的條件下，射流將會(huì)在兩個(gè)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)之間不斷來(lái)回切換，出口處就形成了交替出流的情況。這是一個(gè)明顯的瞬態(tài)現(xiàn)象，需要進(jìn)行瞬態(tài)分析。

圖1 流體自控振蕩器結(jié)構(gòu)圖

瞬態(tài)分析有兩點(diǎn)是需要特別注意的：

1、 合理給定初始值。與穩(wěn)態(tài)分析的初始值不同，瞬態(tài)分析的初始值是有實(shí)際物理意義的，表示瞬態(tài)現(xiàn)象在0時(shí)刻的物理狀態(tài)，對(duì)于流動(dòng)內(nèi)部自發(fā)的瞬態(tài)現(xiàn)象，可以先求解一個(gè)穩(wěn)態(tài)解作為瞬態(tài)分析的初始值。

2、 合理設(shè)定時(shí)間步Δt。如果周期T已知，那么Δt< T/20，如果T未知，那么 

其中L為特征網(wǎng)格長(zhǎng)度，V為特征速度。

所以，我們先按穩(wěn)態(tài)模型設(shè)置的過(guò)程求解出一個(gè)穩(wěn)態(tài)解。模型基本設(shè)置如下：

?    分析類(lèi)型：Steady

?    湍流模型：Standard k-ε，Standard Wall Functions

?    流體域：水

?    入口邊界：速度入口（10m/s）

?    出口邊界：壓力出口（0Pa）

?    求解方法：SIMPLE

?    監(jiān)視器：殘差、出口流量

經(jīng)過(guò)了一定的迭代步數(shù)，從圖2和圖3可以看出，殘差振蕩且無(wú)法減小，兩個(gè)出口的流量也呈現(xiàn)周期性變化，這些結(jié)果都說(shuō)明，流體內(nèi)部存在周期性瞬態(tài)的物理現(xiàn)象，是無(wú)法計(jì)算出一個(gè)穩(wěn)定的解的，但是這個(gè)穩(wěn)態(tài)解可以作為瞬態(tài)分析的初始值。這里也可以給我們一些啟發(fā)，當(dāng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算無(wú)論如何都無(wú)法得到一個(gè)穩(wěn)定的收斂解，那這時(shí)就需要考慮到，我們分析的穩(wěn)態(tài)對(duì)象可能在實(shí)際上是瞬態(tài)的。

圖2 穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果（殘差圖）

圖3 穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果（出口流量圖）

在ANSYS Workbench中，可以建立如圖4所示的完整分析流程，將穩(wěn)態(tài)解作為瞬態(tài)分析的初始值。瞬態(tài)模型主要有如下修改：

?    分析類(lèi)型：Transient

?    求解方法：PISO

?    監(jiān)視器：殘差、出口流量（隨時(shí)間變化）

?    設(shè)置自動(dòng)保存

?    時(shí)間步長(zhǎng)：0.0001s

?    總求解時(shí)間：0.5s

?    每時(shí)間步最大迭代步數(shù)：20

圖4 ANSYS Workbench分析模型

從圖5的計(jì)算結(jié)果可以看出，兩個(gè)出口流量都是周期性變化的，且總量一定，一個(gè)出口達(dá)到最大值時(shí)，另一個(gè)達(dá)到最小值，這就說(shuō)明入口流體是間歇性地從兩個(gè)出口流出。從圖表數(shù)據(jù)直接可以得到，一個(gè)周期大約包含1250個(gè)時(shí)間步，即流體振蕩的周期T≈0.125s。或者，對(duì)流量結(jié)果進(jìn)行傅里葉變化（圖6），頻率峰值約為8Hz，那么T=1/8=0.125s。

圖5 瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果（兩個(gè)出口流量）

圖6 瞬態(tài)分析結(jié)果（出口流量傅里葉變換）